永磁同步电机弱磁调速技术研究

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哈尔滨工业大学全日制工程硕士学位论文
Abstract
At present the alternating electric spindle, which use the permanent magnet synchronous motor (PMSM) as the core component, is widely used in high precision processing manufacturing equipment. Therefore, to broaden the speed range is important for improving the manufacturing accuracy and efficiency. Since the flux weakening technique could broaden the speed range, it get more and more attention. Hence, choosing the proper motor and drive system to achieve the flux weakening control has important theoretical significance and practical value. The research is based on the stator shunt tooth structure PMSM and then does the research on the vector control(VC) technique related to the flux weakening(FW) control. The main research contents in the following aspects: First of all , use the magnetic circuit model to analysis the motor maniacal structure factor of the flux weakening performance. Use the field and magnetic circuit combine technique to analyze the improvement of flux weakening performance of the shunt tooth structure, then puts forward the stator shunt tooth structure PMSM mathematics model in the condition of constant power. Secondly, the paper derives the stator shunt tooth structure PMSM’s electromagnetic constraint conditions, divides the speed adjust areas, does research on the voltage constraint considering the stator resistance and derives one advanced model, design the flux weakening speed adjust strategy in the whole speed operation range combining the characteristics of the stator shunt tooth structure, verify the control strategy through Simulink. Again, based on the research of the flux weakening control algorithm, the paper do some research on the PMSM drive system, gives the calculation method of the current loop parameter and puts forward the seven segment space vector modulation method to restrain the motor stator current harmonic, puts forward the voltage vector time standard MAO threshold concept in order to improve the algorithm’s operation effic iency. Finally, based on the former analysis of the theoretical technology, build the PMSM flux weakening speed regulation system hardware platform, and write control algorithm and do some experiment to verify the flux weakening control algorithm. It shows that the algorithm is correct and effective. Keyword: Stator shunt tooth, Permanent Magnet Synchronous Motor, Flux Weakening, Space Vector modulation
Classified Index: TN1or the Master Degree in Engineering RESEARCH ON FLUX WEAKENING SPEED CONTROL TECHNIQUE OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR
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哈尔滨工业大学全日制工程硕士学位论文
目
摘
录
要 ......................................................................................................................I
Abstract .................................................................................................................. II 第 1 章 绪论 ........................................................................................................... 1 1.1 课题背景及研究的目的和意义 ................................................................... 1 1.2 PMSM 弱磁控制技术概述 ............................................................................ 2 1.2.1 PMSM 弱磁控制国外研究现状 ............................................................. 4 1.2.2 PMSM 弱磁控制国内研究现状 ............................................................. 6 1.3 本文的主要研究内容 ................................................................................... 6 第 2 章 基于定子分流齿结构的 PMSM 数学模型 ................................................ 8 2.1 引言 .............................................................................................................. 8 2.2 定子分流齿结构 PMSM 弱磁原理分析 ...................................................... 8 2.3 定子分流齿结构 PMSM 弱磁性能验证 .................................................... 11 2.4 定子分流齿结构的 PMSM 系统数学模型 ................................................. 13 2.5 本章小结 .................................................................................................... 15 第 3 章 PMSM 弱磁调速控制算法 ...................................................................... 16 3.1 引言 ............................................................................................................ 16 3.2 改进型弱磁调速控制策略 .......................................................................... 16 3.2.1 PMSM 弱磁调速控制的电磁约束条件 ................................................ 16 3.2.2 弱磁调速控制区域划分 ....................................................................... 17 3.2.3 考虑定子绕组电阻的电压约束修正 ................................................... 21 3.2.4 基于前馈控制的弱磁调速控制策略 ................................................... 24 3.3 弱磁调速控制算法验证 .............................................................................. 28 3.3.1 PMSM 全速区域运行控制算法切换判断 ............................................ 28 3.3.2 仿真实验模型的搭建 .......................................................................... 30 3.3.3 弱磁控制系统仿真 .............................................................................. 31 3.4 本章小结 .................................................................................................... 36 第 4 章 PMSM 驱动系统数字化实现 .................................................................. 38 4.1 引言 ............................................................................................................ 38 4.2 电流环系统分析 ......................................................................................... 38 4.3 基于七段法的空间脉宽调制技术 .............................................................. 41
学校代码： 10213 密级：公开
全日制工程硕士学位论文
永磁同步电机弱磁调速技术研究
硕 士 研 究 生 ： 杜鹏程 导 师 ： 李立毅教授
申 请 学 位 ： 全日制工程硕士 学 科 ： 电气工程
所 在 单 位 ： 电气工程及自动化学院 答 辩 日 期 ： 2012 年 7 月 授予学位单位 ： 哈尔滨工业大学
Candidate： Supervisor： Academic Degree Applied for ： Speciality： Affiliation： Date of Defence ：
Du Pengcheng Prof. Li Liyi Master of Engineering Electrical Engineering School of Electrical Engineering and Automation July, 2012
硕士学位论文
（全日制工程硕士学位论文）
永磁同步电机弱磁调速技术研究
RESEARCH ON FLUX WEAKENING SPEED CONTROL TECHNIQUE OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR
杜鹏程
哈尔滨工业大学 2012 年 7 月
国内图书分类号： TM351 国际图书分类号： 621.3
statorshunttoothpermanentmagnetsynchronousmotorfluxweakeningspacevectormodulation哈尔滨工业大学全日制工程硕士学位论文11课题背景及研究的目的和意义12pmsm弱磁控制技术概述121pmsm弱磁控制国外研究现状122pmsm弱磁控制国内研究现状13本文的主要研究内容基于定子分流齿结构的pmsm数学模型21引言22定子分流齿结构pmsm弱磁原理分析23定子分流齿结构pmsm弱磁性能验证1124定子分流齿结构的pmsm系统数学模型1325本章小结pmsm弱磁调速控制算法1631引言1632改进型弱磁调速控制策略16321pmsm弱磁调速控制的电磁约束条件16322弱磁调速控制区域划分17323考虑定子绕组电阻的电压约束修正21324基于前馈控制的弱磁调速控制策略2433弱磁调速控制算法验证28331pmsm全速区域运行控制算法切换判断28332仿真实验模型的搭建30333弱磁控制系统仿真3134本章小结pmsm驱动系统数字化实现3841引言3842电流环系统分析3843基于七段法的空间脉宽调制技术41哈尔滨工业大学全日制工程硕士学位论文431svpwm算法实现41432svpwm算法验证4544本章小结pmsm弱磁调速系统实验平台搭建4851引言4852控制器硬件电路48521控制器整体硬件结构48522控制器模块电路分析4953控制器软件算法55532主程序流程
Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology
哈尔滨工业大学全日制工程硕士学位论文
摘
要
目前以永磁同步电机（ PMSM ）为核心部件的交流电主轴广泛应用于高端 加工制造装备。因此拓宽电机的调速范围对于提高电主轴的加工精度，减少加 工时间，提升效率有着重要的意义。而弱磁调速技术由于能够拓宽电机的调速 范围，受到越来越广泛的关注。因此选择合适的电机及其驱动系统来实现弱磁 控制具有重要的理论意义和实用价值。本文的研究工作以具有良好弱磁性能的 定子分流齿结构的永磁同步电机为基础，对弱磁调速矢量控制相关技术展开研 究，主要研究内容有以下几个方面： 首先通过磁路模型从本体结构方面就电机弱磁性能的影响因素进行研究分 析，采用场路结合的分析方法分析了采用定子分流齿结构对电机弱磁性能的改 进，然后提出了定子分流齿结构 PMSM 在功率不变条件下的数学模型。 其次，推导了定子分流齿结构的 PMSM 在弱磁控制下的电磁约束条件，详 细划分了弱磁区域，对考虑定子电阻的电压约束条件进行改进研究，结合定子 分流齿 PMSM 电机结构特点分析设计全速范围内弱磁调速控制策略， 并且通过 Simulink 对控制策略进行验证。 再次，在弱磁控制算法研究的基础上，对 PMSM 驱动系统展开研究，给出 了电流环参数的计算依据，提出了基于七段法的空间电压矢量调制方法，抑制 了电机定子电流谐波，并提出了电压矢量时间标幺值化的概念，提高了算法运 行效率。 最后，在前面理论分析的基础上，搭建 PMSM 弱磁调速系统硬件平台，并 对弱磁控制技术的核心算法展开相关实验验证，证明了所提出算法的正确性和 有效性。 关键词： 定子分流齿；永磁同步电机；弱磁控制；空间矢量脉宽调制；